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目前已成為治療晚期膝關節(jié)骨關節(jié)疾病的有效治療方法。但是，每年因各種原因需要接受膝關節(jié)假體修復手術的患者仍有很多。除了感染原因外，最多見的修復原因是聚乙烯襯墊磨損導致的假體松動。根據(jù)磨損理論，聚乙烯襯墊的磨損速率與其表面的載荷大小成正比，而假體表面壓應力的異常增高主要是由于假體間的對位不良。研究表明，TKA對假體對位的精度要求非常高，偏差就可能使手術效果相去甚遠。本研究通過對TKA 術后膝關節(jié)進行有限元分析，然后結(jié)合正交試驗方法，優(yōu)化股骨假體植入的定位參數(shù)，使得聚乙烯襯墊表面壓應力峰值最小化，目的是指導術中植入定位，以降低假體的磨損速度，延長假體的使用壽命。
由高速三維激光掃描機對人工膝關節(jié)假體各個組件( 美國精技公司后交叉韌帶替代型假體) 分別進行掃描，得到各自三維輪廓點云數(shù)據(jù)，通過曲面反求重構，獲取假體各組件的三維工程化模型。
將脛骨腓骨遠端固定，約束股骨的屈伸運動，股骨其它方向的運動不受限制。皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨假體與截骨面之間使用捆綁約束，股骨假體聚乙烯襯墊和脛骨假體之間定義接觸(股骨假體聚乙烯襯墊，聚乙烯襯墊脛骨假體)，摩擦系數(shù)設為股骨上端給予施加軸向向下的載荷，模擬站立位膝關節(jié)的受力情況。
根據(jù)正交試驗方法，安排9組試驗水平組合，建立9個不同的9膝關節(jié)有限元模型，分別對每個模型設置相同的材料屬性及邊界條件，進行有限元分析，經(jīng)過正交優(yōu)化試驗處理并進行極差和方差分析，確定不同股骨假體植入定位參數(shù)對聚乙烯襯墊上表面壓應力峰值的影響，并獲取一組使得壓應力峰值最小的最優(yōu)參數(shù)組合。
在本研究中，如果對股骨假體的3個定位因素在3個不同水平下進行全面的分析計算，共需要創(chuàng)建27個膝關節(jié)有限元模型，而利用正交試驗法可以明顯減少計算工作量，只用9個模型的分析結(jié)果就能夠幫助預測全部模型的結(jié)果分布特征和趨勢。在這過程中，我們還進一步對結(jié)果進行方差分析，由方差分析可知，內(nèi)外平移量對聚乙烯襯墊上表面壓應力峰值的影響最顯著，其次是外旋角度，而外翻角度影響最小。
通過有限元仿真技術并結(jié)合正交試驗方法，可以對TKA股骨假體的植入定位參數(shù)進行優(yōu)化，確定不同定位參數(shù)對TKA術后膝關節(jié)表面壓應力的影響，指導TKA術中假體的植入，有助于降低關節(jié)所受應力，同時，本研究結(jié)果對新型TKA假體的設計也有一定幫助。但是TKA術后膝關節(jié)有限元模型中各部件材料屬性的確定，邊界條件的建立，載荷的正確加載以及動態(tài)分析等問題還需進一步研究。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結(jié)構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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